Circuitos Integrados Familias Logicas

Circuitos Integrados Familias Logicas

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Circuitos Integrados e Famílias Lógicas

Famílias Lógicas.

Introdução

O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitando a colocação num único invólucro de diversos componentes já interligados, veio permitir um desenvolvimento muito rápido da Eletrônica Digital e conseqüentemente do projeto de sistemas digitais. Foi criada então uma série de circuitos integrados que continham numa única pastilha as funções lógicas digitais mais usadas e de tal maneira projetadas que todas eram compatíveis entre si. Estas séries de circuitos integrados formaram então as Famílias Lógicas, a partir das quais os projetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus sistemas digitais.

Em virtude da massificação do uso de CIs, torna-se necessário conhecer as características gerais desses circuitos e de algumas das famílias lógicas mais populares. Uma vez entendidas tais características, estaremos muito mais bem preparados para trabalhar no projeto de circuitos digitais.

Terminologia dos Circuitos Integrados

Apesar do grande número de fabricantes de circuitos integrados, grande parte da nomenclatura e da terminologia empregadas nesta área são mais ou menos padronizadas. Os termos mais usais serão definidos e discutidos a seguir.

Parâmetros de Tensão e Corrente

VIH (mínimo) – Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Alto. É o nível de tensão necessário a representar o nível lógico 1 na entrada de um circuito digital. Qualquer tensão abaixo deste nível não será considerada nível lógico ALTO por um circuito digital.

VIL (máximo) - Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo. É o nível de tensão necessário a representar o nível lógico 0 na entrada de um circuito digital. Qualquer tensão acima deste nível não será considerada nível lógico BAIXO por um circuito digital.

VOH (mínimo) - Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto. É o nível de tensão necessário a representar o nível lógico 1 na saída de um circuito digital. Tal parâmetro normalmente é especificado por seu valor mínimo.

VOL (máximo) - Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo. É o nível de tensão necessário a representar o nível lógico 0 na saída de um circuito digital. Tal parâmetro normalmente é especificado por seu valor máximo.

IIH (mínimo) – Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Alto. Valor da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nível lógico alto é aplicado em tal entrada.

IIL (máximo) – Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo. Valor da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nível lógico baixo é aplicado em tal entrada.

IOH (mínimo) – Corrente de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto. Valor da corrente que circula na saída de um circuito digital, quando um nível lógico alto é gerado em tal circuito, respeitadas as limitações para carregamento da saída.

IOL (máximo) – Corrente de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo. Valor da corrente que circula na saída de um circuito digital, quando um nível lógico baixo é gerado em tal circuito, respeitadas as limitações para carregamento da saída.

Fan-Out: Em geral, a saída de um circuito lógico é projetada para alimentar várias entradas de outros circuitos lógicos. O fan-out , também chamado fator de carga, é definido como o número máximo de entradas de circuitos lógicos que uma saída pode alimentar de maneira confiável. Se tal número não for respeitado, os níveis de tensão na saída do circuito poderão não respeitar as especificações.

Exemplo: Uma porta lógica com fan-out de 10 pode alimentar até 10 entradas lógicas padrão.

Para determinar quantas entradas diferentes a saída de um CI pode alimentar, precisamos conhecer IOL (máx) e IOH (máx) de tal CI e as necessidades de corrente de cada entrada, IIL e IIH. Estas informações estão sempre presentes nas especificações do chip fornecidas pelo fabricante.

Assim,

(máx) máx)(

(BAIXO)out -fan ILOLI

(máx) máx)(

(ALTO)out -fanIHOHI

Se o fan-out para o nível BAIXO for diferente do fan-out para o nível ALTO, como ocorre em alguns casos, devemos escolher o menor dos dois.

Obs.: O Fan-In indica a quantidade máxima de saídas que podemos ligar a uma entrada.

Retardo de Propagação: Um sinal lógico sempre sofre retardo em sua passagem através de um circuito. Os dois tempos correspondentes aos retardos de propagação são definidos como:

tPLH: tempo de retardo correspondente à passagem do nível lógico 0 para o nível lógico 1 (BAIXO para ALTO).

tPHL: tempo de retardo correspondente à passagem do nível lógico 1 para o nível lógico 0 (ALTO para BAIXO).

A figura a seguir ilustra tais retardos de propagação para um circuito NOT. Observe que tPHL é o tempo necessário para que a saída do NOT passe do nível ALTO para o nível BAIXO, em resposta a uma entrada ALTO. Ele é medido a partir da metade dos pontos de transição dos sinais de entrada e de saída. O parâmetro tPHL corresponde ao tempo que a saída leva para responder a uma entrada no nível BAIXO.

Em geral tPLH e tPHL possuem valores diferentes, variando também em função das condições de carregamento a que o circuito está submetido. Tais valores são usados para compararem as velocidades de operação dos circuitos lógicos.

Exemplo: Um circuito com retardo de propagação em torno de 10ns é mais rápido do que um circuito com retardo da ordem de 20 ns.

Exigências para alimentação: Cada CI precisa de uma determinada quantidade de potência elétrica para operar. Tal potência é suprimida por uma ou mais fontes de tensão, conectadas aos pinos de alimentação do chip. Normalmente, só é necessário operar um único pino para alimentação do chip, denominado VCC para a família TTL e VDD para os dispositivos MOS (descritos posteriormente).

A quantidade de potência que um CI precisa para funcionar é determinada pela corrente ICC que ele puxa da fonte que fornece VCC , sendo seu valor numérico obtido pelo produto ICC VCC . Para muitos CIs, o consumo de corrente vai variar, dependendo dos níveis lógicos dos circuitos dos chips.

Exemplo: Considere um chip NAND, em que todas as saídas estão no nível lógico ALTO. Neste caso, a corrente que sai da fonte VCC é chamada de ICCH. Considere o mesmo chip NAND, com todas as suas saídas no nível lógico BAIXO. Neste caso, a corrente que sai da fonte VCC é denominada ICCL . Em geral, ICCH e ICCL têm valores diferentes, sendo o valor médio de tais correntes

(média) CCLCCHcc utilizado para calcular a potência média consumida pelo circuito integrado PD (média) = ICC (média) · VCC

Produto Velocidade-Potência: Historicamente, as famílias de circuitos integrados têm como características marcantes a sua velocidade de operação e a potência consumida. Em geral, o projeto de tais circuitos busca um retardo de propagação baixo (alta velocidade de operação) e valores baixos de potência dissipada. Um meio comum de medir e comparar a performance global de uma família de circuitos integrados é através do produto velocidade-potência (speed-power), obtido através da multiplicação do retardo de propagação pela potência dissipada.

Exemplo: Suponha uma determinada família de circuitos integrados que tenha um retardo médio de propagação de 10 ns, e uma potência dissipada média de 5mW. O produto velocidade-potência é 50pJ.

Fica claro que, quanto mais baixo for o valor deste produto, melhor será o desempenho global da família em questão.

Imunidade ao Ruído: Picos de corrente elétrica e campos magnéticos podem induzir tensões nas conexões existentes entre os circuitos lógicos. Tais sinais, indesejados e espúrios, são denominados ruído. A imunidade ao ruído de um circuito lógico refere-se à capacidade deste circuito tolerar tensões geradas por ruído em suas entradas, sem alterar o seu funcionamento. A quantidade medida de imunidade ao ruído é denominada margem de ruído.

A margem de ruído para o nível alto, VNH, é definida como VNH = VOH (mínimo) – VIH (mínimo)

A margem de ruído para o nível baixo, VNL, é definida como

VNL = VIL (máximo) – VOL (máximo)

Obs.: Estritamente falando, as margens de ruído definidas são chamadas de margens de ruído dc. Tal termo pode parecer não apropriado quando se trata de definir ruído, que geralmente é um sinal ac. Ocorre que, nos circuitos integrados atuais, em que a velocidade de operação é extremamente alta, um pulso de 1ms de duração é considerado longo e pode ser tratado como um pulso dc, levandose em conta que o circuito responderá normalmente a tal pulso.

Níveis de Integração de Circuitos: Os cinco níveis de integração de circuitos são mostrados a seguir.

Nível de IntegraçãoNúmero de Portas

Integração em Pequena Escala (SSI)Menos de 12 Integração em Média Escala (MSI)12 a 90 Integração em Grande Escala (LSI)100 a 9.9 Integração em Muito Grande Escala (VLSI)10.0 a 9.99 Integração Ultra Grande Escala (ULSI)100.0 ou mais

Encapsulamento de CIs:

Encapsulamentos mais comuns para CIs: (a) DIP (dual-in-line package) de 24 pinos; (b) envoltório de cerâmica flexível de 14 pinos; (c) envoltório montado sobre a superfície (surface-mount).

O envoltório de cerâmica flexível é uma embalagem hermeticamente fechada construída com uma cerâmica não-condutora, o que torna o chip totalmente imune aos efeitos da umidade. Estes envoltórios são usados em circuitos destinados a aplicações militares, que devem funcionar em condições ambientais extremas, totalmente desfavoráveis.

O envoltório montado na superfície é a técnica de encapsulamento mais moderna, é muito similar ao DIP, exceto pelo fato de seus pinos terminarem dobrados en ângulos retos, de maneira a poderem ser soldados diretamente na superfície da placa de circuito impresso. Em geral, são menores que os DIPs. Os CIs montados na superfície também têm a vantagem de poderem ser mais facilmente manipulados pelos equipamentos automáticos de montagem de placas de circuito.

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